устройство для обнаружения очистного поршня в трубопроводе

Формула изобретения

Устройство для обнаружения очистного поршня в трубопроводе, содержащее источник постоянного магнитного поля, установленный на очистном поршне, и расположенный с внешней стороны трубопровода приемник, имеющий генератор импульсов, подключенный к обмотке подмагничивания феррозонда датчика постоянного магнитного поля, сигнальная обмотка которого соединена через усилитель с выпрямителем, задатчик порогового напряжения, связанный выходом через последовательно включенные компаратор напряжения и триггер с входом индикатора, коммутатор, подключенный выходом к второму входу триггера, и суммирующий усилитель, отличающееся тем, что феррозонд датчика постоянного магнитного поля снабжен дополнительной обмоткой, приемник имеет последовательно включенные дополнительный генератор импульсов, счетчик импульсов и цифроаналоговый преобразователь, задатчик напряжения начального уровня, последовательно соединенные дифференциатор, дополнительный компаратор напряжения и счетный триггер, прямой и инверсный выходы которого соединены с управляющими входами счетчика импульсов, выход цифроаналогового преобразователя соединен с первым входом суммирующего усилителя, который выходом подключен к дополнительной обмотке феррозонда, выход выпрямителя подключен к входу дифференциатора, выход которого дополнительно соединен с вторым входом компаратора напряжения, второй вход дополнительного компаратора напряжения связан с цепью нулевого потенциала, а выход задатчика напряжения начального уровня соединен с вторым входом суммирующего усилителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации трубопроводов, в частности к технике очистки внутренних поверхностей трубопроводов.

При эксплуатации трубопроводов возникает необходимость в периодической очистке их внутренних поверхностей. Это осуществляется с помощью поршней, движущихся под давлением нагнетаемой среды. Для регулирования подачи рабочей среды важно знать точное местонахождение поршня в трубопроводе. Кроме того, не исключена возможность несанкционированной остановки очистного поршня. В этом случае возникает задача поиска места остановки. Для этих целей используются специальные устройства.

Обычно устройство состоит из двух частей - передающей и приемной. Передающая часть устанавливается непосредственно на поршне. По сигналу на выходе приемной части, расположенной вблизи трубопровода, можно судить о моменте прохождения очистного поршня через заданное сечение трубопровода.

Известно устройство для обнаружения очистного механизма в трубопроводах.

Устройство состоит из очистного элемента, магнитного датчика и магнитного искателя. Длина очистного элемента устройства в 2 раза превышает длину обычного поршня и не вписывается в стандартную кривизну магистральных трубопроводов (кривизна - до 5D_тр, расстояние между магнитными датчиками - не менее 4D_тр, где D_тр - диаметр трубопровода). При использовании меньших магнитных датчиков магнитный искатель не обеспечивает фиксацию момента прохождения очистного механизма через заданное сечение трубопровода.

Известно устройство для обнаружения очистного поршня в трубопроводе.

Устройство состоит из передающей и приемной частей. Передающая часть состоит из серийного поршня-распределителя с прикрепленными к нему магнитными блоками. Приемная часть представляет собой магнитную стрелку, расположенную между источником света и фотоприемником. Сигнал с фотоприемника обрабатывается в специальной схеме, позволяющей зафиксировать отклонение магнитной стрелки и тем самым зафиксировать момент прохождения очистного устройства через заданное сечение трубопровода. Устройство имеет низкую эксплуатационную технологичность из-за необходимости предварительной точной выставки магнитной стрелки, а также низкую надежность работы из-за наличия подвижных прецизионных элементов.

Известно устройство для обнаружения очистного поршня в трубопроводе.

Устройство состоит из передающей и приемной частей. Передающая часть представляет собой поршень-распределитель с установленными на нем магнитными дисками. Приемная часть представляет собой чувствительный магнитометр. Приемная часть устанавливается с внешней стороны трубопровода.

Чувствительный магнитометр может быть построен на индукционном принципе. Он состоит из преобразователя напряженности магнитного поля в напряжение и блока индикации (см., например, Техническое описание и инструкцию по эксплуатации магнитометра ММП-203. тт 1.420.001 ТО, НПО "РУДГЕОФИЗИКА", 1987 г. ).

Момент прохождения очистного устройства фиксируется оператором по изменению напряженности магнитного поля.

Устройство отличается простотой, однако имеет недостатки. 1. С каждым магнитометром должен работать оператор. 2. При проведении очистных работ на длинных участках трубопроводов, время полного прохождения поршня составляет несколько часов, в результате чего внимание оператора притупляется. В связи с кратковременностью изменения напряженности магнитного поля в районе магнитометра велика вероятность нефиксации. 3. Магнитометр имеет высокую чувствительность, но обладает большой инерционностью (время измерения в МПМ-203 превышает 3 секунды), в связи с чем не позволяет зафиксировать быстродвижущиеся очистные устройства. 4. Устройство имеет низкую эксплуатационную технологичность, вызванную тем, что при работе с магнитометром требуется предварительный выбор диапазона измерения в зависимости от напряженности результирующего магнитного поля. Кроме того, магнитометр реагирует и на медленно изменяющееся магнитное поле, в связи с чем возрастает вероятность ложной тревоги.

Известно устройство для обнаружения очистного поршня в трубопроводе, являющееся прототипом данного изобретения.

Устройство состоит из двух основных частей - передающей и приемной. Передающая часть представляет собой поршень- распределитель с установленными на нем магнитными дисками.

Функциональная схема приемной части устройства, представлена на фиг. 1.

В состав приемной части устройства входит индукционный феррозондовый преобразователь напряженности магнитного поля в электрическое напряжение 1, в свою очередь, состоящий из феррозондового датчика 2, подмагничивающая обмотка которого подключена к выходу генератора импульсов 3, а сигнальная обмотка - ко входу усилителя переменного тока 4, выход которого соединен со входом выпрямителя 5. Выход выпрямителя 5, являющийся и выходом преобразователя напряженности магнитного поля в электрическое напряжение 1, в свою очередь, подключен к инверсному входу дифференциального интегрирующего усилителя 6 и первому входу суммирующего усилителя 7. Ко второму входу суммирующего усилителя 7 подключен выход дифференциального интегрирующего усилителя 6, имеющего единичный коэффициент усиления.

Выход суммирующего усилителя 7 одновременно соединен с прямым входом дифференциального интегрирующего усилителя 6 и первым входом компаратора напряжения 8. Со вторым входом компаратора напряжения 8 соединен выход задатчика порога 9. Выход компаратора напряжения 8 соединен с первым входом RS-триггера 12, со вторым входом которого соединен выход коммутатора 10. Прямой выход Q RS-триггера 12 подключен ко входу индикатора 11.

Инверсный выход RS-триггера 12 соединен с управляющим входом генератора импульсов 3.

Работа прототипа заключается в следующем. Приемная часть устройства устанавливается над трубопроводом, при этом индукционный феррозондовый датчик размещается в вертикальном положении. После включения питания с помощью коммутатора 10 на входе R RS-триггера 12 формируется сигнал, устанавливающий RS-триггер 12 в нулевое состояние. Сигнал высокого логического уровня с инверсного выхода RS-триггера 12 поступает на генератор импульсов, разрешая запитывание подмагничивающей обмотки феррозондового датчика 2. В связи с тем, что в районе трубопровода всегда имеется некоторая фоновая напряженность магнитного поля, не изменяющаяся во времени (или слабо изменяющаяся), на выходе сигнальной обмотки появляется переменное напряжение, которое после усиления в усилителе 4 и выпрямления на выпрямителе 5 поступает на дифференциальный интегрирующий усилитель 6. После окончания переходного процесса на выходе дифференциального интегрирующего усилителя 6 устанавливается напряжение U₆ = -U₅, где U₅ - напряжение на выходе выпрямителя 5.

На выходе суммирующего усилителя 7 U₇ = K₇U₅ + U₆, где K₇- коэффициент усиления суммирующего усилителя 7.

В установившемся режиме U₇= 0.

С помощью задатчика порога 9 на втором входе компаратора напряжения 8 устанавливается напряжение 0 > U₉ > U_{7 max}, где U_{7 max} - максимально возможное отрицательное напряжение на выходе суммирующего усилителя 7.

Компаратор напряжения 8 осуществляет сравнение напряжений U₉ и U₇. Сигнал на его выходе:



где

U₀ и U₁ - соответственно напряжения низкого и высокого логических уровней.

В установившемся режиме U₉ < (U₇ = 0), поэтому U₈ = U₁.

Сигнал на выходе RS-триггера:



где

U₁₀ - напряжение на выходе коммутатора 10.

Так как до окончания переходного процесса в схеме U₁₀ = U₀, то U₁₂ = U₀ и индикатор 2 - отключен. По окончании переходного процесса в схеме на выходе коммутатора 10 устанавливается напряжение U₀, переводящее RS-триггер в режим ожидания.

В момент прохода очистного устройства под местонахождением приемной части прибора напряженность магнитного поля в районе индукционного феррозондового датчика увеличивается, что вызывает увеличение напряжения на выходе выпрямителя 5 U₅.

Увеличение U₅ вызывает уменьшение U₆. Однако постоянные времени изменения напряжений U₅ и U₆ будут различные. В связи с этим на выходе суммирующего усилителя 7 появится бросок отрицательного напряжения. При прохождении им уровня U₉, на выходе компаратора напряжения 8 появится сигнал низкого логического уровня, по которому RS-триггер 12 переведется в единичное состояние, приводящее к работе индикатора, сигнализирующего о моменте прохождения поршня. Одновременно с этим по сигналу низкого логического уровня с инвертирующего выхода RS-триггера 12 генератор импульсов 3 отключится.

Устройство обладает высокой чувствительностью, однако имеет недостаток, ограничивающий область его использования, в частности, в случае выполнения приемной части в стационарном закапываемом виде с дистанционным управлением. Недостаток связан с ограниченным динамическим диапазоном работы приемной части.

Для повышения чувствительности прибора необходимо, чтобы коэффициент усиления усилителя 4 (фиг. 1) был максимальным. Однако в этом случае, при высокой напряженности внешнего магнитного поля, напряжение U₅ на выходе выпрямителя может выйти за пределы, ограниченные напряжением источника питания, что приведет к переходу схемы на недопустимый режим (т.к. напряжение U₆ не может быть выше напряжения источника питания, в результате чего U₅ становится выше U₆, и на выходе дифференциального усилителя 7 появится напряжение U₇ = K₇(U₅ + U₆), отличное от нуля, что может привести к ложному срабатыванию, если порог U₉ установлен в области отрицательных напряжений, или к пропуску очистного устройства в случае, если порог установлен в области положительных напряжений.

В связи с этим коэффициент усиления усилителя 4 выбирается таким образом, чтобы при максимально возможной напряженности внешнего магнитного поля (определяемого металлической массой собственно трубопровода) напряжение на выходе выпрямителя 5 не выходило за пределы, ограниченные напряжением источника питания, что существенно ограничивает чувствительность приемной части устройства и требует периодической оперативной подстройки.

В случае выполнения приемной части устройства в стационарном закапываемом виде оперативная настройка невозможна, в то время как напряженность внешнего магнитного поля в процессе эксплуатации трубопровода постоянно увеличивается, что вызвано, во-первых, трением газа о внутреннюю поверхность трубы (в газопроводах) и намагничиванием трубы в результате периодического пропуска поршня с установленными на нем магнитными блоками.

Целью настоящего изобретения является расширение динамического диапазона работы приемной части устройства, повышение ее эксплуатационной технологичности, а также повышение чувствительности устройства при одновременном снижении вероятностей ложной тревоги и пропуска цели.

Цель изобретения достигается тем, что на феррозондовом датчике установлена дополнительная обмотка, а в схему введена следящая система, обеспечивающая постоянную компенсацию внешнего фонового магнитного поля.

Сущность изобретения поясняется функциональной схемой, представленной на фиг. 2.

В состав предлагаемого устройства входит индукционный феррозондовый преобразователь напряженности магнитного поля в электрическое напряжение 1, в свою очередь, состоящий из феррозондового датчика 2, подмагничивающая обмотка которого подключена к выходу генератора импульсов 3, а сигнальная обмотка - ко входу усилителя переменного тока 4, выход которого соединен со входом выпрямителя 5. Выход выпрямителя 5, являющийся и выходом преобразователя напряженности магнитного поля в электрическое напряжение 1, в свою очередь, подключен ко входу дифференциатора 13. Выход дифференциатора одновременно соединен с первыми входами первого 8 и второго 14 компараторов напряжения. Со вторым входом первого компаратора напряжения 8 соединен задатчик порога 9, а второй вход второго компаратора напряжения 14 подключен к общей шине (точке с нулевым потенциалом). Выход второго компаратора напряжения 14 соединен с счетным входом двухтактного D-триггера 15. Триггер 15 имеет прямой и инверсный выходы, соответственно соединенные с суммирующим и вычитающим входами счетчика импульсов 17. Со счетным входом счетчика импульсов 17 соединен выход второго генератора импульсов 16. Выходы счетчика импульсов 17 соединены с соответствующими входами цифроаналогового преобразователя 18, выход которого соединен с первым входом суммирующего усилителя 19, со вторым входом которого соединен выход задатчика исходного уровня 20. Выход усилителя 19 соединен с дополнительной обмоткой, расположенной на феррозонде 2. Выход первого компаратора напряжения 8 соединен с первым входом RS-триггера 12, со входом R которого соединен выход коммутатора 10. Выход триггера 12 соединен со входом сигнализатора 11.

Работа предлагаемого устройства заключается в следующем. Приемная часть устройства устанавливается над трубопроводом, при этом индукционный феррозондовый датчик размещается в вертикальном положении. После включения питания запускается первый генератор импульсов, запитывающий подмагничивающую обмотку феррозонда 2. Так как в районе трубопровода всегда имеется фоновая напряженность магнитного поля, на выходе сигнальной обмотки появляется переменное напряжение, которое после усиления в усилителе 4, выпрямления и сглаживания в выпрямителе 5 появляется на выходе преобразователя 1:



где

H_b - проекция вектора напряженности внешнего магнитного поля на продольную ось феррозонда;

H_k - проекция вектора напряженности магнитного поля, вызванного влиянием поля дополнительной обмотки, на продольную ось феррозонда;

K₁ - коэффициент преобразования феррозондового преобразователя.

Значение H_k зависит от величины и полярности приложенного к дополнительной обмотке напряжения.

Напряжение U¹ поступает на вход дифференциатора 13, напряжение на выходе которого



где K₁₃ - коэффициент преобразования дифференциатора.

При увеличении U¹ напряжение U₁₃ принимает положительные значения, при уменьшении - отрицательные.

Напряжение U₁₃ поступает на первый вход второго компаратора напряжения 14, где сравнивается с нулевым потенциалом. Напряжение на его выходе:

U₁₄ = U₀ при U₁₃ > 0;

U₁₄ = U₁ при U₁₃ 0.

T. о. , по логическому сигналу на выходе компаратора 14 можно судить об изменении суммарного поля в стержнях феррозонда . При увеличении на выходе компаратора присутствует сигнал логического нуля, при уменьшении - логической единицы.

В компараторе введен гистерезис у порога переключения, предотвращающий сбои в переходных процессах.

Сигнал с компаратора 14 поступает на счетный вход двухтактного триггера. Изменение состояния на выходе триггера 15 происходит в момент перехода состояния на его счетном входе с логической единицы в ноль (т.е. в момент, когда суммарное поле в стержнях феррозонда минимально и начинает увеличиваться). Триггер 15 управляет подачей импульсов на счетчик, изменяя направление счета каждый раз, как начинает увеличиваться суммарное поле . Напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя точно соответствует числу N, записанному в счетчике 17: U₁₈ = NK₁₈, где K₁₈ - коэффициент преобразования цифроаналогового преобразователя 18.

Напряжение U₁₈ поступает на вход суммирующего усилителя 19. Напряжение на его выходе: U₁₉ = K₁₉(U₁₈ + U₂₀), где U₂₀ - напряжение на выходе задатчика начального уровня 20. U₂₀ выбирается таким образом, чтобы в установившемся режиме напряжение U₁₉ (напряжение на дополнительной обмотке феррозондового датчика) обеспечивало соблюдение минимума значения при средних значениях N.

T.о., в установившемся режиме схема осуществляет постоянное переключение счетчика 17 между несколькими разрядами: после достижения минимума дальнейшее увеличение числа N, записанного в счетчике, вызывает увеличение напряжения U₁₉, что, в свою очередь, приводит к увеличению значения H_k и увеличению что вызывает увеличение U₅. На выходе дифференциатора 13 появляется положительное напряжение, а логическое состояние на выходе второго компаратора напряжения 14 изменится с U₁ на U₀, что приведет к переключению триггера 15 и, следовательно, к изменению направления счета счетчика 17, что, в свою очередь, приведет к уменьшению напряжения U₁₉ и, следовательно, к уменьшению При этом уменьшается напряжение U₅, на выходе дифференциатора появится отрицательное напряжение, а на выходе компаратора 14 нулевое состояние изменится на единичное, что не изменит состояние триггера 15, и уменьшение числа, записанного в счетчике 17, продолжится. В какой-то момент времени значение H_k превысит H_b, в результате чего начнет увеличиваться, что вызовет изменение состояния выхода компаратора 14 с U₁ на U₀ и переключение триггера 15. Далее весь цикл повторяется. T.о., в установившемся режиме схема постоянно компенсирует внешнее поле, причем значение проекции результирующего вектора напряженности магнитного поля на продольную ось феррозонда поддерживается близким к нулю.

При прохождении очистного устройства значение H_b резко изменяется, что вызывает резкое изменение U₅. Так как частота генератора 16 выбирается исходя из необходимости компенсации только постоянных и медленно меняющихся внешних полей, быстрое изменение H_b скомпенсировано не будет. При достижении напряжением U₁₃ уровня U₉ (задаваемого с помощью задатчика порога 9) на выходе компаратора напряжения 8 появится сигнал высокого логического уровня, по которому RS-триггер 12 переведется в единичное состояние, приводящее к срабатыванию индикатора 11, сигнализирующего о моменте прохождения поршня.

Перевод в режим ожидания может быть осуществлен как в ручном режиме, так и автоматически с помощью коммутатора 10. Автоматический перевод может быть использован в случае выполнения приемной части устройства в стационарном закапываемом варианте, когда требуется сигнализация о прохождении в течение заданного времени. В этом случае управление коммутатором 10 осуществляется от реле времени, запускаемого от сигнализатора 11.

В случае выполнения приемной части устройства в переносном варианте, с целью продления ресурса работы источников питания, инверсный выход триггера 12 может быть соединен с управляющим входом генератора импульсов 3 (по аналогии с прототипом).

Использование полностью замкнутой следящей системы позволяет увеличить динамический диапазон работы устройства, возможность увеличения коэффициента усиления усилителя 4 позволяет повысить чувствительность приемной части устройства, а отсутствие необходимости оперативной подстройки - повысить технологичность его эксплуатации. Кроме того, исключение возможности выхода входного сигнала за динамический диапазон работы устройства снижает вероятность пропуска цели и ложной тревоги при изменении внешнего фонового магнитного поля.

Приемная часть данного устройства может быть использована и с стандартным металлическим очистным поршнем, не оснащенным магнитными блоками за счет реакции на собственное магнитное поле поршня, однако дальность обнаружения в этом случае снижается.